深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)數(shù)值設(shè)計方法研究

匡 德

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000)

深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)數(shù)值設(shè)計方法研究

匡 德

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000)

基坑支護關(guān)系到水閘工程的安全性。為確保水閘工程的穩(wěn)定性，需要充分重視深基坑在內(nèi)的所有設(shè)計環(huán)節(jié)。本文以克孜加爾水閘工程為例，對樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行討論，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計效果進行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明:連續(xù)介質(zhì)拉格朗日分析本構(gòu)模型、支護結(jié)構(gòu)數(shù)值計算模型能夠比較準確地計算出支護結(jié)構(gòu)的應力分布、橫向位移、縱向位移等。

水利工程； 水閘工程； 基坑作業(yè)； 樁錨支護； 支護結(jié)構(gòu)

水閘工程設(shè)計中對基坑深度有著不同要求，若基坑開挖深度較大，需要處理的滲漏、支護問題也越復雜[1]。基坑支護不僅關(guān)系到水閘工程作業(yè)的便利性，而且對工程質(zhì)量以及施工安全都十分關(guān)鍵[2]。現(xiàn)有的基坑支護型式包括樁錨支護結(jié)構(gòu)、懸臂支護結(jié)構(gòu)、逆作法支護等，其中樁錨支護結(jié)構(gòu)具有施工便捷、設(shè)備簡單、應用范圍較廣、環(huán)境污染較小的特點，在水閘工程基坑工程實踐中較為常用[3]。然而，為了更加有效地應對水閘工程基坑條件，避免結(jié)構(gòu)性滑移，需要對樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入分析。本文將對該類支護型式的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析和模擬，希望對提升樁錨支護結(jié)構(gòu)受力性能有積極作用。

1 工程簡介

本文以克孜加爾水閘工程為例，該工程基本結(jié)構(gòu)為潛孔平板型，共設(shè)計8個單孔，各單孔長度為14.2m，總體寬度為133.5m。為達到“蓄水、景觀與通航一體”的目標，該水閘工程將與橋梁工程統(tǒng)籌實施。為確保工程基礎(chǔ)預應力承受性能，擬將基坑設(shè)計成堤防結(jié)構(gòu)的一部分。依據(jù)規(guī)劃，該基坑支護左岸、右岸開挖深度分別在8.6～10.3m、8.7～10.4m之間，廊道深度設(shè)計在6.6～11.3m之間。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果，場地為兩河流交匯處，土層主要是中粗砂、殘積土、風化混合巖以及人工填土。地層材料詳細情況如表1所列。

2 樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

理論上，關(guān)于樁錨支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法較多，包括極限平衡法、連續(xù)梁法、有限元法、彈性地基梁法、彈性支撐法等。結(jié)合本文工程特點，將重點介紹并采用極限平衡法與彈性地基梁法[4]。

2.1 極限靜力平衡法

該類結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在單錨式結(jié)構(gòu)上有著較好的適用性。在擋土結(jié)構(gòu)嵌入土層深度有限時，需要借助結(jié)構(gòu)后側(cè)土壤摩擦與重力的作用，從而確保支梁結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。在該結(jié)構(gòu)中，存在被動土壓力Ep、主動土壓力Ea以及錨桿支撐力T這三個主要參數(shù)，三者滿足如下關(guān)系式：

(1)

依據(jù)力矩平衡，有

EaHa=EpHp

(2)

式中Ha——被動土壓力Ep與錨桿支撐之間的垂直距離，m；

Hp——主動土壓力Ep與錨桿支撐之間的垂直距離，m。

若記入土深度值為t，則該值與錨桿支撐深度值之間呈負相關(guān)關(guān)系。為將支護樁直徑控制到最小，需要精確計算其與錨桿支撐深度之間的關(guān)系。通常而言，隨著桿支撐深度逐漸增加，彎矩會首先降低，其后彎矩值會呈現(xiàn)向上“U”形變化特征，而其最小值處即為樁徑設(shè)計、開挖深度設(shè)計最佳情形。此時，按下式計算錨桿支撐力Tk：

(3)

式中TA——不同開挖土層處的錨桿支撐力。

由力矩平衡原理進一步可得：

(4)

式中ak——k層錨桿支撐與被動土壓力之間的力臂，N·m；

bk——k層錨桿支撐與主動土壓力之間的力臂，N·m；

aTA——k層錨桿支撐與開挖處錨桿支撐力之間的力臂，N·m。

如圖1所示，為極限靜力平衡法下的該工程結(jié)構(gòu)圖。

2.2 彈性地基梁支點法

在該方法下，需要將地基梁視為包含多個邊界的分段工程集合體，其計算結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在對基坑支護結(jié)構(gòu)進行計算時，首先須按式(5)計算其開挖面上部受力結(jié)構(gòu)：

(5)

接著，按式(6)計算其開挖面下部受力結(jié)構(gòu)：

(6)

式中z——計算點與支護結(jié)構(gòu)最上端之間的垂直距離，m；

hn——開挖深度(第n類工況)，m；

m——土體水平抗力系數(shù)；

EI——特定寬度下的結(jié)構(gòu)抗彎剛度值，N/mm；

y——支護結(jié)構(gòu)水平變形系數(shù)；

bs——特定荷載水平下的計算寬度值，m；

b0——支護結(jié)構(gòu)抗力計算寬度，m；

eaik——結(jié)構(gòu)荷載水平值(外部)，N。

本文深基坑樁結(jié)構(gòu)為圓形排式，可按式(7)求取其結(jié)構(gòu)抗力計算寬度：

(7)

在計算不同土層的支點邊界條件Tj時，可按式(8)進行：

(8)

式中kTj——計算土層的剛度系數(shù)；

yj——計算土層的水平支點位移，m；

yoj——結(jié)構(gòu)進行支點設(shè)置前的水平位移值，m；

Toj——計算土層的支點預應力，N。

3 數(shù)值模擬

關(guān)于深基坑樁錨支護模擬，工程實踐中常用的方法包括有限差分析法(FDM)、邊界元法、有限元法等。其中，應用最成熟的有限差分析法(FDM)，其具有較為理想的彈塑性應對能力，從而可以較好地計算支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文將運用該方法中的快速連續(xù)介質(zhì)拉格朗日分析法(FLAC)進行深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)模擬。

3.1 連續(xù)介質(zhì)拉格朗日分析結(jié)構(gòu)模型

由于水閘工程土體結(jié)構(gòu)較為復雜，因而需要對其塑性變形特征進行合理模擬。對此，土體結(jié)構(gòu)應該遵循Mohr-Coulomb屈服規(guī)則：

(9)

式中fs——屈服函數(shù)；

φ——土體與支護結(jié)構(gòu)的夾角，(°)；

Nφ——二者間的摩擦力，N；

c——土體凝聚力，N；

σ1、σ3——抗壓強度以及抗剪強度，MPa。

如圖3所示，為Mohr-Coulomb屈服準則下的計算結(jié)構(gòu)示意圖。

計算拉應力屈服時，按式(10)進行：

(10)

式中σt——抗拉強度值，MPa。

3.2 數(shù)值模型

本工程數(shù)值計算模型以及支護結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。在該模型中，相關(guān)參數(shù)值如表2所列。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 不平衡力模擬結(jié)果

為對基坑土層塑性流動性能進行很好的模擬，可以借助不平衡力參數(shù)。圖5所示為不平衡力演化曲線圖。由圖5可知，隨著計算步數(shù)的增加，不平衡力呈顯著波動狀態(tài)，且最大值以及最大波動特征出現(xiàn)在工況開挖結(jié)束階段；就各個開挖階段而言，不平衡力在初始作業(yè)時陡然上升，隨后會逐漸降低至0。可見，對深基坑作業(yè)而言，應該從第二層錨桿處開始便十分重視不平衡力的測量與控制，盡量降低開挖作業(yè)對基坑穩(wěn)定性造成破壞。

3.3.2 土體應力模擬結(jié)果

3.3.2.1 土體初始應力分析

在對深基坑進行土體開挖作業(yè)之前，土體由于自重力作用而具備一定初始應力。如圖6所示，為水閘工程的初始應力模擬結(jié)果。由圖6可以看出，隨著土層深度增加，深基坑土體自身所具備的初始應力呈顯著相應增加的特征。

3.3.2.2 SXX應力分析

當深基坑土體開挖值區(qū)間在[8.8,12.0]m時， SXX應力隨著工程自身重力降低而可能出現(xiàn)相應減小。如圖7、圖8所示，為SXX應力分布圖(水平應力)。

由圖7、圖8可知，隨著開挖深度增加，土體應力呈現(xiàn)顯著降低特征；就不同土體部位而言，相對于開挖面下部，開挖面上部土體應力變化顯著。

3.3.3 土體位移模擬結(jié)果

3.3.3.1 水平位移分析

如圖9所示，為本文水閘工程深基坑土體水平位移模擬結(jié)果。由圖9可知，水平位移最大值出現(xiàn)在深基坑中部，達8.1m；隨著測量距離逐漸遠離基坑，水平位移量越來越小；樁基處，水平位移圖出現(xiàn)凹槽，表明支護結(jié)構(gòu)與土體間存在顯著相互作用。

3.3.3.2 縱向位移分析

如圖10所示，為水閘工程深基坑底部位移分布情況。由圖10可知，以基坑底部開挖處為核心，土體位移量逐漸向下部、側(cè)部降低；基坑底部隆起現(xiàn)象顯著，最大位移量達17.9m。

4 結(jié) 論

本文對深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法以及受力特征進行了模擬。主要得出如下幾點結(jié)論：

a.隨著計算步數(shù)的增加，不平衡力呈顯著波動狀態(tài)，且最大值以及最大波動特征出現(xiàn)在工況開挖結(jié)束階段。因此，應該從第二層錨桿處開始重視不平衡力的監(jiān)測及控制。

b.隨著土層深度增加，深基坑土體自身所具備的初始應力呈顯著增加。就不同土體部位而言，開挖面上部土體應力變化相對于下部更加顯著。

c.隨著測量距離逐漸遠離基坑，土體水平位移量越來越小；縱向分析結(jié)果表明，基坑底部隆起現(xiàn)象顯著，最大位移量達17.9m。

[1] 夏國春,程永華,張宏.船塢工程塢口段深基坑支護施工技術(shù)[J].水利建設(shè)與管理,2012(6):16-19,9.

[2] 王婉芬.地下連續(xù)墻深基坑結(jié)構(gòu)工程施工[J].水利建設(shè)與管理,2013(5):28-32.

[3] 張?zhí)?非均勻受力圓形深基坑地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)應用[J].中國水能及電氣化,2016(1):54-59.

[4] 季晨,郭桂祥,楊勇.小口徑鍍鋅鋼管井點降水技術(shù)在泵站工程深基坑開挖中的應用[J].中國水能及電氣化,2015(4):1-4.

Research on numerical design method of deep foundation pile anchor supporting structure

KUANG De

(XinjiangIrtyshRiverBasinDevelopmentEngineeringConstructionAdministration,Urumqi830000,China)

Foundation pit supporting is related to the safety of sluice project. All design links including deep foundation pits should be emphasized fully in order to ensure the stability of sluice project. In the paper, Kezi Jia’er Sluice Project is adopted as an example for discussing design methods of pile anchor supporting structures. Numerical simulation analysis is carried out on the effect of structure design. Results show that stress distribution, horizontal displacement, vertical displacement, etc. of the supporting structure can be calculated more accurately by the continuous medium Lagrange analysis constitutive model and supporting structure numerical calculation model.

water conservancy project; sluice project; foundation pit operation; pile anchor supporting; supporting structure

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.04.011

TV223

A

1005-4774(2017)04- 0040- 05